На правах рукописи - Институт водных и экологических проблем

На правах рукописи
Голубева Евгения Михайловна
ЭКОСИСТЕМЫЙ ПОДХОД
К ОЦЕНКЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ АМУР
ТОКСИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
03.02.08 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Хабаровск – 2012
Работа выполнена в лаборатории физико-химических методов
исследования Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН
Научный руководитель:
доктор биологических наук, профессор
Кондратьева Любовь Михайловна
Официальные оппоненты:
Никитина Людмила Ивановна
доктор биологических наук, профессор,
Дальневосточный государственный
университет путей сообщения,
заведующая кафедрой
Леонова Галина Александровна
доктор геолого-минералогических наук,
Институт геологии и минералогии
им. В.С. Соболева СО РАН,
старший научный сотрудник
Ведущая организация:
Дальневосточный федеральный университет,
г. Владивосток
Защита состоится 14 мая 2012 г. в 14:30 часов на заседании
диссертационного совета Д 005.019.01 при Институте водных и
экологических проблем ДВО РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск,
ул. Ким Ю Чена, 65.
Факс: (4212) 32-57-55
Тел. (4212) 70-42-93
e-mail: evg8302@ya.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных и
экологических проблем ДВО РАН.
Автореферат разослан « » апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор биологических наук
Н.А. Рябинин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Загрязнение поверхностных вод токсичными
элементами (ТЭ) остается одной из важнейших проблем современной экологии.
Для сохранения устойчивости водных экосистем в условиях хронического
антропогенного
загрязнения
необходим
анализ
не только
содержания
токсикантов, но и исследование процессов их аккумуляции и миграции в
компонентах экосистем.
После
поступления
в
водную
экосистему
токсичные
элементы
накапливаются в ее компонентах и могут вызывать риски вторичного
загрязнения, что в конечном итоге приводит к неблагоприятным последствиям
для жизнедеятельности биоты и нарушает устойчивость самой экосистемы
(Даувальтер, 2008; Моисеенко, 2009; Яковлев и др., 2002). Биодоступные
формы токсичных элементов оказывают прямое воздействие на живые
организмы, которое может выражаться в виде мутагенных, канцерогенных,
эмбриотоксических, гонадотоксических и других эффектов (Христофорова,
2006; Моисеенко, 2009; Ковековдова, 2011). Поступление токсикантов можно
контролировать, но прогнозировать их распределение по компонентам водной
экосистемы представляет значительные трудности.
Особенно остро проблема загрязнения ТЭ стоит перед реками с большой
площадью водосбора, имеющими несколько крупных притоков. Например, для
трансграничной
реки
Амур,
наряду
со
специфическим
природным
поступлением токсичных элементов (Кот, 1994; Чудаева, 1996; Ивашов,
Сиротский,
1998),
характерна
повышенная
антропогенная
нагрузка
с
сопредельных территорий Китая (Кондратьева и др., 2006; Клишко, 2007, 2008).
Традиционно для оценки содержания ТЭ в воде, донных отложениях и рыбе р.
Амур использовали геохимический и санитарно-гигиенический подходы, а
уровень загрязнения ТЭ сравнивали с их содержанием в осадочных породах
или с показателями ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения.
3
Однако для адекватной оценки состояния водных экосистем необходим анализ
не только содержания и аккумуляции ТЭ в абиотических и биотических
компонентах, но и их участия в различных биохимических реакциях (Spry et al.,
1991; McDonald et al., 2001; Немова, Высоцкая, 2004; Голованова, 2008;
Заботкина и др., 2011) и процессах, происходящих в контактных зонах: вода –
взвешенные вещества, вода – лед и вода – дно (Кондратьева, 2005). Особое
внимание уделяется изучению процессов концентрирования токсичных
элементов гидробионтами и их поступления в донные отложения через
«биогенный канал» (Леонова, 2009).
Цель исследования: сравнить содержание токсичных элементов (Fe, Mn,
Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As) в абиотических (вода, донные отложения, лед),
биотических (рыба, моллюски) компонентах и обосновать их участие в
биогеохимических процессах в экосистеме реки Амур.
Задачи исследования:
1. Определить уровни содержания токсичных элементов в абиотических
компонентах (вода, донные отложения и лед) и выявить особенности миграции
железа и марганца на биогеохимическом барьере вода – дно в экосистеме
р. Амур.
2. Сравнить уровни накопления токсичных элементов в различных
гидробионтах (рыбы, моллюски) в зависимости от их местообитания, характера
загрязнения водной среды и донных отложений.
3. Выявить приоритетные элементы, с которыми может быть связан риск
вторичного загрязнения р. Амур в результате биогеохимических процессов.
Защищаемые положения:
1. Содержание токсичных элементов в абиотических компонентах (вода,
донные отложения, лед) влияет на сезонное экологическое состояние водной
экосистемы и определяет предпосылки ее вторичного загрязнения.
4
2. Гидробионты
из
различных
местообитаний
могут
выступать
индикаторами загрязнения водной среды конкретными токсичными элементами
и отражать предпосылки изменения устойчивости водной экосистемы.
3. Экосистемный подход позволяет адекватно оценить состояние р. Амур,
учитывая процессы аккумуляции и миграции токсичных элементов на
биогеохимических барьерах.
Научная новизна. На примере экосистемы р. Амур обоснована
необходимость экосистемного подхода в оценке ее загрязнения токсичными
элементами (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As). Впервые проведен комплексный
анализ
сезонного
содержания
токсичных
элементов
в
депонирующих
абиотических и биотических компонентах р. Амур (лед, донные отложения,
моллюски и рыба). Проведен сравнительный анализ накопления этих элементов
в разных группах рыб за многолетний период (2002–2010 гг.) в зависимости от
их местообитания. Показана роль биогеохимических процессов, происходящих
в контактной зоне вода – дно, в формировании качества воды, и обоснованы
сезонные предпосылки повышенного содержания железа и марганца в
поверхностных водах р. Амур. Впервые показано, что в зимний период
наиболее ярко раскрываются биогеохимические процессы, происходящие в
контактных зонах вода – дно и вода – лед. Эти процессы определяют качество
среды обитания гидробионтов различных трофических уровней за счет
миграции, аккумуляции и изменения подвижности отдельных элементов.
Практическая значимость. Определение содержания ТЭ в отдельных
компонентах водной экосистемы позволяет понять закономерности их
распределения в условиях локального антропогенного воздействия.
В работе показана необходимость совершенствования экологического
мониторинга, в который должны быть включены сезонные исследования
содержания токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные
отложения,
лед)
и
гидробионтах
различных
трофических
поддерживающих стабильное состояние экосистемы р. Амур в целом.
5
уровней,
Исследование процессов миграции железа и марганца в зимний период
при поступлении подземных вод в речную систему позволяет прогнозировать
«марганцевые аномалии», связанные с переходом марганца из нерастворенного
в растворенное состояние на фоне высоких концентраций органических
веществ.
Анализ последствий техногенной аварии в Китае и загрязнения
различных компонентов р. Амур токсичными элементами могут найти
применение при решении вопросов, связанных с контролем качества воды и
состояния биоресурсов. Данные могут быть экстраполированы на другие
водные объекты, имеющие высокую степень сходства по интенсивности
антропогенного
воздействия,
гидродинамическим
и
гидрохимическим
показателям.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации
доложены и обсуждены на научной конференции, посвященной 70-летию С.М.
Коновалова, «Современное состояние водных биоресурсов» (Владивосток,
2008); всероссийской конференции «Тектоника и глубинное строение Востока
Азии:
VI
Косыгинские
чтения»
(Хабаровск,
2009;
2011);
2-ой
Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность
водных
ресурсов»
(Хабаровск,
2009);
Международной
конференции,
посвященной памяти М.М. Кожова, «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010); 3rd
International Multidisciplinary Conference on Hydrology and Ecology: Ecosystems,
Groundwater and Surface Water Pressure and Options (Vienna, 2011), а также на
региональных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых (с 2007
по 2011).
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи
в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы. Работа изложена на 163 страницах и состоит
из введения, обзора литературы (1 глава), объектов и методов исследования
6
(2 глава), результатов исследования и их обсуждения (главы 3, 4, 5)
и заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована
8 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 275 источников, из
которых 81 на иностранных языках.
Личный вклад автора. Диссертант лично участвовал в пробоподготовке,
в проведении анализов по содержанию токсичных элементов во всех
исследуемых компонентах, в обработке и обобщении результатов, подготовке
иллюстрационного материала и формулировке выводов, а также его подготовке
и апробации на научных конференциях и в научной печати.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю
доктору биологических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ
Любовь Михайловне Кондратьевой за внимание, постоянную помощь в
организации и выполнении работ, ценные советы и обсуждения. За интерес к
работе и ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. В. В. Кулакову.
Автор благодарен всем коллегам из лаборатории физико-химических методов
исследования Института тектоники и геофизики ДВО РАН во главе с к. г.-м. н.
Н.В. Бердниковым и особенно Д.В. Авдееву за постоянную помощь при
определении токсичных элементов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Токсичные элементы в водных экосистемах (обзор
литературы). В главе проведен анализ литературных источников по
поступлению и миграции токсичных элементов. Рассмотрены основные формы
нахождения токсичных элементов в компонентах водной экосистемы – воде,
донных отложениях, льду, а также особенности их аккумуляции и влияния на
жизнедеятельность гидробионтов. Проанализированы основные процессы,
которые происходят на биогеохимических барьерах при участии различных
элементов.
7
Глава 2. Объекты и методы исследования. Объектами исследования
послужили абиотические и биотические компоненты пресноводной экосистемы
р. Амур (вода, донные отложения, лед, рыба и моллюски). После техногенной
аварии 2005 г. в г. Цзилинь (КНР) были проанализированы пробы воды, донных
отложений и льда, отобранных в ходе совместного российско-китайского
мониторинга. Пробы поверхностных и придонных слоев воды, донных
отложений, льда отбирали в основном русле р. Амур (от устья р. Сунгари до с.
Троицкое и в районе с. Малмыж) сотрудники ГОУ ЧС, ИВЭП ДВО РАН,
Хабаровского ЦГМС-РСМЦ (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Место и время отбора проб
Название
проб
Вода
Донные
отложения
Лед
Рыба
Моллюски
Место отбора
Год
с. Нижнеленинское, с. Петровское,
с. Нижнеспасское, г. Хабаровск,
с. Малмыж
Ниже г. Благовещенск,
с. Нижнеленинское,
с. Петровское, с. Нижнеспасское,
с. Вознесенское, г. Хабаровск,
с. Троицкое, с. Малмыж,
г. Амурск,
г. Комсомольск-на-Амуре
с. Нижнеспасское,
прот. Казакевичева, г. Харбин,
г. Цзямусы, г. Тунцзян
с. Владимировка,
с. Нижнеленинское,
с. Нижнеспасское, с. Гасси,
пос. Синда,
г. Николаевск-на-Амуре
пер. Нижнеспасский,
с. Константиновка, с. Мариинское,
с. Бычиха, с. Гасси, с. Телегино,
с. Савинское
2005
8
2006
2006
2008
Количество
проб
>700
25
10
2009
25
2006
25
2006
2007
2008
2009
2010
2006
22
16
26
101
6
25
2008
8
С
Ю
Р ОССИЯ
р. А
мур
Зей ское
вод охра нили ще
р.
г. Комсомольск-на-Амуре
Зе
я
Бур ейско е
во до хра ни лищ е
г. Амурск
с. Малмыж
с. Троицкое
р. Буре
я
р
му
.р А
г. Бла гове щ е н с к
К И ТА Й
- Населенные пункты
- Точ ки отб ора проб
ури
с. Нижнеленинское
г. Хабаровск
с
р. Ус
р. А
му р
с. Нижнеспасское
с. Петровское
г. Тунцзян
ри
га
г. Ц зям у сы
н
у
С
р.
г. Х ар б ин
г. Цзилинь - М есто аварии,
нояб рь, 2005г.
км 0
80
г. Цзилинь
Рис. 1. Карта-схема мест отбора проб воды, донных отложений,
льда и гидробионтов
Пробы гидробионтов отбирали в основном русле р. Амур в период
2006–2010 гг., сотрудники ХфТИНРО, ИВЭП ДВО РАН, ФГУ «Амуррыбвод».
Летом 2008 и 2009 гг. донные отложения были отобраны на Нижнем Амуре (от
г. Хабаровска до г. Комсомольска-на-Амуре), а также на Среднем Амуре
сотрудниками ИВЭП ДВО РАН в ходе комплексной экспедиции. Пробы
донных отложений отбирали штанговым дночерпателем. На мелководьях
послойный отбор донных отложений проводили с помощью специального бура.
9
Анализ содержания тяжелых металлов и токсичных элементов проводили
в лаборатории Хабаровского инновационно-аналитического центра при
Институте тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН. Для
определения содержания ТЭ в донных отложениях применяли экспресс
методику извлечения элементов при неполном разрушении силикатной основы
(Хавезов, 1983). Пробы мягких тканей рыбы и моллюсков разлагали способом
мокрой минерализации (ГОСТ 26929-94, 2002; МУК 4.1.1483-03, 2003). Пробы
исследовали на содержание тяжелых металлов – Zn и Cu, а также приоритетных
токсичных элементов – Pb, Cd, Hg и As. Их содержание определяли методом
Total Quant на ICP-MS фирмы Perkin Elmer (США). Построение графиков
проводили при помощи программы Excel 2007.
Глава
3.
Содержание
токсичных
элементов
в
абиотических
компонентах экосистемы р. Амур. В результате аварии 13 ноября 2005 г. на
химическом заводе в г. Цзилинь (КНР) произошло многокомпонентное
загрязнение экосистем рек Сунгари и Амур органическими веществами,
тяжелыми металлами и токсичными элементами.
При исследовании поверхностных и придонных слоев воды р. Амур ниже
устья р. Сунгари было установлено увеличение содержания некоторых ТЭ по
сравнению с водами, отобранными на выше расположенных участках.
Показано, что содержание Cu, Zn и Pb в поверхностных слоях воды р. Амур
возросли в 4, 3, 2 раза соответственно, а Hg – в 27 раз по сравнению с пробами
воды, отобранными выше зоны влияния стока р. Сунгари. В придонных слоях
воды концентрации Cu, Zn и Pb увеличились в 1,6; 2,5 и 1,6 раз, Hg – в 29 раз.
Повышенные содержания Cu, Zn, Pb и Hg зафиксированы ниже г. Хабаровск и
с. Троицкое. Максимальные концентрации Cd установлены в пробах
поверхностных и придонных слоев воды, отобранных в 20 км выше устья
р. Сунгари.
В пробах воды, отобранных ниже устья р. Сунгари, отмечено
снижение концентраций этого элемента в 2–8 раз. Повышенные концентрации
10
As были зафиксированы в поверхностных слоях воды, отобранных в 20 км
выше устья р. Сунгари. Вниз по течению реки Амур происходило понижение
содержания этого элемента в воде на всех пунктах отбора проб в 2–3,5 раза.
Показано, что на повышение концентраций ТЭ помимо антропогенного
фактора могли влиять биогеохимические процессы, происходящие в зимний
период в контактной зоне «вода – дно». Так в пробах воды, отобранных в
январе 2006 г у левого берега в районе с. Малмыж, было зарегистрировано
повышение содержания Cd и Cu в 3 и 4,5 раза соответственно, а As – в 47 раз,
по сравнению с водами, отобранными выше по течению р. Амур (рис.2). В этих
пробах содержание марганца превышало ПДК в 110 раз.
200
Cd
30
Hg
Pb
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
Cu
Концентрация, мкг/л
Концентрация, мкг/л
35
6
Zn
As
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Содержание токсичных элементов в воде р. Амур в районе
с. Малмыж (январь, 2006 г.): 1, 2 – выше; 5, 6 – ниже; 3, 4 – напротив
с. Малмыж; 1, 3, 5 – левый берег; 2, 4 – правый берег; 6 – середина реки
Высокие содержания As и Hg были зарегистрированы в пробах воды у
правого берега в районе с. Малмыж (4 ПДК и 15 ПДК соответственно).
Содержание Pb значительно снизилось в воде, как у левого, так и у правого
берега в районе с. Малмыж в 32 и 12 раз соответственно, по сравнению с водой,
отобранной на вышерасположенных участках. В пробах воды, отобранных
ниже с. Малмыж, зарегистрировано существенное снижение концентраций Cu,
Cd, As и Hg. Это явление было связано с процессами седиментации элементов в
11
составе коллоидных взвесей, которые были визуально выражены в пробах
воды, отобранных у берега.
Таким образом, в подледной воде в районе с. Малмыж было
зарегистрировано локальное повышение ТЭ. Это явление не было связано с
последствиями техногенной аварии, а обусловлено биогеохимическими
процессами, происходящими в контактной зоне «вода – дно» в период зимней
межени.
В донных отложениях (ДО) р. Амур, отобранных во время ледостава
2005–2006 гг., происходила аккумуляция многих токсичных элементов.
Максимальные концентрации Cu, Zn, Pb, Hg и Cd обнаружены в пробах ДО,
отобранных в районе г. Комсомольск-на-Амуре. Их содержание было в 2; 4,7;
4,8; 9 и 5 раз выше, соответственно, чем в донных отложениях, отобранных в
зоне влияния реки Сунгари.
Дальнейшее исследование содержания токсичных элементов в донных
отложениях на Нижнем Амуре было проведено летом 2008 г. в зоне влияния
крупных городов (Хабаровск, Амурск, Комсомольск-на-Амуре). Было отмечено
увеличение содержаний Zn, Pb и As на участке от г. Хабаровск
до
г. Комсомольск-на-Амуре. Максимальные концентрации этих элементов были
установлены в пробах донных отложений, отобранных у правого берега ниже
г. Комсомольск-на-Амуре (33,35; 11,36; 7,74 мкг/г соответственно).
Таким образом, показано, что в донных отложениях р. Амур происходит
накопление токсичных элементов в зонах аккумуляции, расположенных ниже
г. Хабаровска вдоль правого берега. На характер такого распределения
токсикантов могут влиять сток р. Сунгари и сточные воды г. Хабаровск.
Лед является важным компонентом геоэкологических исследований
водных экосистем (Лебедев и др., 1981; Иванов, 1998; Кондратьева, 2010).
Послойное исследование кернов льда позволяет оценить поступление ТЭ в
экосистему во время его формирования, миграцию и аккумуляцию в период
12
ледостава. Так содержание токсичных элементов во льдах р. Сунгари
существенно изменялось на всем протяжении от г. Цзямусы до г. Тунцзян
(2005–2006 гг.) (табл. 2).
Таблица 2
Послойное распределение тяжелых металлов
во льдах р. Сунгари, мкг/л
Место
отбора
Харбин
Цзямусы
Тунцзян
Это
Слой,
см
0–20
20–40
40–60
60–80
0–20
20–40
40–60
60–80
0–20
20–40
40–60
60–80
Pb
3,601
2,356
4,531
4,281
1,078
2,57
1,62
0,801
2,883
1,861
1,717
1,374
свидетельствует
Левый берег
Hg
0,074
2,062
0,193
0,441
0,333
0,4
0,925
2,632
0,47
0,371
0,52
0,344
о
Cd
0,82
7,381
0,943
0,515
1,938
0,21
1,447
0,82
0,267
0,918
0,787
0,328
непостоянстве
Правый берег
Pb
Hg
Cd
1,648
0,461
2,463
7,101
0,58
0,947
4,867
0,36
7,592
0,716
0,318
1,755
0,503
0,309
0,595
1,625
0,284
3,52
0,181
0,088
0,926
0,253
4,079
1,085
0,448
0,305
0,306
н.о.
н.о.
н.о.
0,423
0,152
0,386
2,43
0,525
2,925
качества
воды
в
период
формирования льда. Самый загрязненный лед был выявлен в районе г. Харбин,
особенно по содержанию Cd. Однако во время прохождения загрязненных
водных масс у г. Харбин ледовое покрытие на реке отсутствовало, поэтому
присутствие Cd во льдах р. Сунгари не связано с аварией. Превышение ПДК по
Hg было отмечено во льдах в районах городов Цзямусы и Харбин в 5 и 4 раза
соответственно. Анализ керна льда, отобранного в р. Амур в районе
с. Нижнеспасское, показал, что в период прохождения загрязненных водных
масс, поступивших со стоком р. Сунгари, происходила аккумуляция Cu, Pb и
Cd. По сравнению с содержанием этих элементов в воде, их концентрации
увеличивались соответственно в 3, 7 и 2 раза. Содержание Hg во льдах было
13
сопоставимо с содержанием ее в воде, а концентрация мышьяка была ниже, чем
в воде. Исследования показали, что в период ледостава происходила
аккумуляция ТЭ, что повышает риск вторичного загрязнения воды во время
весеннего ледохода на реках Сунгари и Амур. Миграция загрязняющих веществ
в составе льда и взвешенных веществ служит фактором экологического риска
не только в пространстве, но и во времени.
Таким образом, на фоне техногенной аварии в Китае загрязнение
экосистем рек Сунгари и Амур было связано главным образом с аккумуляцией
токсичных элементов во льдах и донных отложениях, которые затем
вовлекались в природные биогеохимические процессы. В дальнейшем, в
весенний период складывались предпосылки для вторичного загрязнения
водной среды токсичными элементами.
Глава 4. Особенности биоаккумуляции тяжелых металлов и
токсичных элементов в гидробионтах реки Амур.
Во многих работах было показано, что рыбы могут выступать
индикаторами
загрязнения
водных
экосистем
токсичными
элементами
(Моисеенко, 1998; Коновалова, 2001). Анализ сезонного содержания ТЭ в
рыбах различного видового состава и типа питания в разные годы показал
значительные различия в уровне их накопления (табл. 3).
Таблица 3
Распределение токсичных элементов в рыбах р. Амур
Год
Лето
Зима
2002
Zn>Cu>Hg>Pb>As>Cd
Zn>Cu>Hg>Pb>As>Cd
2006
Zn>Cu> Pb>As>Cd>Hg
–
2007
Zn>Cu>Hg>Cd>As>Pb
–
2008
Zn>Cu>Cd >Hg>Pb>As
Zn>Cu>Cd>Pb>Hg>As
2009
Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg
Zn>Pb>As>Hg>Cd>Cu
2010
Zn>Cu>As>Pb>Hg>Cd
–
14
Амурские рыбы в большей мере концентрируют медь и цинк, независимо
от мест обитания, видовой принадлежности и сезона вылова. Это отражает
общую тенденцию аккумуляции данных элементов, отмеченную другими
авторами (Руднева, 2011; Barata et al., 2005; Ковековдова, 2011).
Соотношение по уровню накопления Hg, Pb, Cd и As существенно
отличались в разные годы и сезоны.
Повышенное
содержание
большинства
токсичных
элементов
было
зафиксировано в мышечных тканях рыб, ведущих придонный образ жизни, вне
зависимости от сезона и места вылова. Основными концентраторами токсикантов
выступали косатка-плеть (Pseudobagrus ussuriensis), конь пестрый (Hemibarbus
maculatus), белый амур (Ctenopharyngodon idella), карась серебряный (Carassius
gibelio) и белый толстолобик (Hypophthalmichthys molitrix). Рыба, выловленная в
2006 г., содержала самые высокие концентрации меди (15,11 мг/кг) и цинка
(115,03 мг/кг). Содержание Hg было сопоставимо в летние периоды 2002, 2006,
2007 гг. Но в последующие годы (2008–2010) концентрация этого элемента в
рыбах постепенно снижалась в 2, 6 и 40 раз, по сравнению с 2007 годом. В ходе
анализа содержания As в период с 2002 по 2010 гг. установлено, что его
максимальные
концентрации
были
зарегистрированы
в
пробах
белого
толстолобика (H. molitrix) в период открытого русла 2009 г. (1,84 мг/кг).
Содержание Pb в пробах мышечных тканей рыб значительно колебалось в разные
сезоны. Наиболее высокое содержание свинца было обнаружено в рыбе,
отловленной летом 2006 г. в районе с. Нижнеспасское и летом 2009 г. в районе с.
Синда (Нижний Амур). Концентрации свинца составили 3,80 мг/кг в мышцах
белого амура (C. idella) и 8,34 мг/кг в косатке-плеть (P. ussuriensis)
соответственно. Максимальные концентрации Сd (до 0,50 мг/кг), были
обнаружены в мышцах сазана (C. rubrofuscus), выловленного в летом 2006 г. в
р. Амур в районе с. Нижнеленинское.
15
Содержания ТЭ в рыбах по показателям ПДК соответствовали
требованиям, предъявляемым к рыбной продукции. Однако для самих
представителей этой группы гидробионтов такие концентрации элементов
могут привести к нарушению ряда физиологических функций и негативно
повлиять на популяционные показатели и видовое разнообразие рыб.
Сравнение различных по филогении видов рыб, обитающих в сходных
экологических
условиях,
позволяет
выявить
причины,
вызывающие
вариабельность биохимических показателей. Использование такого подхода
способствует
выявлению
изменяющимся
условиям
специфических
среды,
биохимических
биохимической
адаптаций
к
чувствительности
и
устойчивости организма к факторам внешней среды (Немова, Высоцкая, 2004;
Ирейкина, 2011).
В дальнейшем нами был проведен сравнительный анализ накопления ТЭ
в разных группах гидробионтов из одного местообитания (с. Нижнеспасское).
Были установлены следующие ряды убывания концентраций токсичных
элементов в гидробионтах и донных отложениях:
Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg – моллюски
Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg – рыбы, ведущие придонный образ жизни
Zn>Pb>As>Cu>Cd>Hg – донные отложения
Как видно из рядов сравнения распределение Cd и Hg одинаково для
донных отложений и гидробионтов, это может быть связано со сходными
механизмами поступления этих элементов в организм моллюсков и рыб.
Однако по сравнению с донными отложениями, максимальные концентрации
кадмия и ртути отмечены в нодулярии (N. amurensis) – 0,15 мг/кг и коне
пестром (H. maculatus) – 0,24 мг/кг, что было в 2 раза выше, чем в донных
отложениях. Аккумуляция цинка моллюсками оказалась в 3 раза выше (77,11
мг/кг), чем в донных отложениях. Содержание меди в косатке-плеть
(P. ussuriensis) было в 10 раз больше (15,11 мг/кг), чем в донных отложениях.
16
Интенсивность
процесса
биоаккумуляции
тяжелых
металлов
у
моллюсков в изменяющихся средовых градиентах сравнивали по показателям
КБН (константа бионакопления), КО (коэффициент обогащения) УИН
(удельная интенсивность накопления). Наиболее высокая интенсивность
накопления ТЭ у моллюсков была отмечена при условии их низкого
содержания в среде обитания. Показатели аккумуляции уменьшались по мере
накопления токсичных металлов в тканях моллюсков. Отношение КО/УИН
можно
использовать
в
качестве
информативного
показателя
экотоксикологического неблагополучия (ПЭН) для отдельных особей и
возрастных групп популяций моллюсков в однородных условиях среды.
Установлено, что по значениям ПЭН слабо загрязненными оказались участки
р. Амур в зоне влияния стока рек Зея и Бурея. Опасный и угрожающий уровень
накопления токсичных элементов у моллюсков был отмечен в зоне влияния
стока р. Сунгари.
Анализ рядов накопления ТЭ показал, что моллюски и рыбы р. Амур,
ведущие придонный образ жизни в разной степени концентрируют As и Pb.
Несмотря
на
видовую
принадлежность,
моллюски
приоритетно
аккумулировали мышьяк, а рыбы – свинец. Это соответствует положению о
том, что разница в накоплении этих элементов у разных групп гидробионтов
связана с различными механизмами поступления и интенсивностью процессов
их выведения и детоксикации (Руднева, 2011).
Хотя
разные
виды
организмов
могут
регулировать поступление
токсичных элементов, и у них существует для этого специализированные
механизмы, однако, на уровень накопления существенно влияет содержание ТЭ
в окружающей среде и характер питания гидробионтов.
Глава
5.
Особенности
миграции
железа
и
марганца
на
биогеохимическом барьере вода – дно. Как показывает обзор публикаций,
существуют геологические и экологические предпосылки высокого содержания
17
железа и марганца в р. Амур. Территория Приамурья входит в провинцию
железосодержащих, марганецсодержащих и кремнийсодержащих пресных
подземных вод с низкими концентрациями фтора (Архипов, 1979; Кулаков,
1990, 2008; Труфанов, 1982). Подземные воды разгружаются в русло реки через
донные отложения, которые являются биогеохимическим барьером между
подземной
и
поверхностной
составляющей гидросферы. В результате
изменения восстановительной среды на окислительную, в донных осадках и
придонных слоях воды увеличивается содержание железа и марганца за счет
перехода этих элементов в нерастворимую форму.
Многолетние наблюдения в течение 1995–2000 гг. за концентрациями
железа в поверхностных водах Приамурья показали, что его содержание
изменялось в основном русле р. Амур в довольно широких пределах от 0,20 до
2,35 мг/л (Шамов, 2008).
Высокие концентрации марганца были зафиксированы в период
ледостава 2005–2006 гг. в пробах воды у левого берега на Среднем Амуре
(рис. 3).
30.11. 2005 г.
0,408
0,40
0,30
0,382
0,410
дно
0,243 0,256
0,246
0,20
0,10
0,00
1
2
15. 12. 2005 г.
0,043
0,041
0,05
поверхность
Концентрация, мг/л
Концентрация, мг/л
0,50
3
0,04
дно
0,030
0,03
0,02
поверхность
0,026
0,023
0,020
0,01
0,00
1
2
3
Рис. 3. Содержание марганца (мг/л) в поверхностных и придонных слоях
воды р. Амур у левого берега с. Нижнеленинское (1),
с. Петровское (2), с. Нижнеспасское (3) до (30.11.2005 г.) и во время
(15.12.2005 г.) прохождения нитробензольного загрязнения
Вне зоны влияния р. Сунгари у левого берега в районе с. Нижнеленинское в
конце ноября 2005 г. были отмечены высокие концентрации марганца, особенно в
18
придонных слоях воды. Общее содержание этого элемента в придонных слоях
воды было почти в два раза выше его содержания в поверхностных слоях (0,408 и
0,246 мг/л, соответственно). Как отмечалось выше, содержание марганца в пробах
воды, отобранных в январе 2006 в районе с. Малмыж у левого берега, составляла
11,02 мг/л и превышала ПДК более чем в 110 раз. В осенне-зимний период, при
лимите кислорода в воде, микробиологическое окисление органических веществ
может осуществляться за счет использования в качестве акцепторов электронов
нитратов, сульфатов, нерастворимых соединений железа и марганца, что приводит
к изменению их растворимости. Кроме того, в результате биогеохимических
процессов может происходить образование нитритов, сероводорода, метана и
увеличение общей токсичности природных вод.
Определение общего содержания Fe и Mn было проведено в пробах
донных отложений, отобранных в зонах влияния крупных городов (Хабаровск,
Амурск, Комсомольск-на-Амуре). Максимальное содержание Fe и Mn (15,79 и
0,52
мкг/г
соответственно)
было
отмечено
в
донных
отложениях,
представленных илистой фракцией и отобранных у правого берега ниже
г. Комсомольск-на-Амуре.
Активное поступление нерастворимых соединений Fe3+ и Mn4+ в составе
гуматных комплексов в поверхностные горизонты донных осадков происходит
в
период
открытого
русла.
В
период
ледостава,
в
результате
микробиологического окисления органических веществ в донных осадках,
происходит восстановление этих элементов до Fe2+ и Mn2+, и они вновь могут
переходить в водную среду. Учитывая, что в долине р. Амур в условиях
умеренного и избыточного увлажнения происходят процессы оглеения почв
(Кулаков, 2008), которые выступают важным фактором, определяющим
содержание железа и марганца в поверхностных и подземных водах.
Таким образом, миграция железа и марганца определяется совокупностью
абиотических (температура, содержание кислорода и органических веществ) и
19
биотических
(активность
микробиологической
деструкции
органических
веществ) факторов. Роль биогенного фактора выполняют активные микробные
комплексы, которые в отсутствие кислорода используют нерастворимые формы
железа и марганца для окисления органических веществ донных отложений,
способствуя миграции металлов в водную среду. Повышение концентраций
железа и марганца в р. Амур может происходить при разгрузке подземных вод,
высоком
уровне
загрязнения
органическими
веществами
и
снижении
кислорода, особенно в период ледостава.
ВЫВОДЫ
1. Для адекватной оценки состояния экосистемы реки Амур необходимо
одновременное исследование содержания токсичных элементов в разных
компонентах с учетом их поступления от природных и антропогенных
источников, аккумуляции в депонирующих средах (донные отложения, лед,
гидробионты) и участия в биогеохимических процессах.
2. Загрязнение водной среды после техногенной аварии в бассейне
р. Сунгари сопровождалось аккумуляцией токсичных элементов в разных
компонентах р. Амур. Содержание токсичных элементов во льдах оказалось
выше,
чем
в
воде.
зарегистрированы
непосредственно
в
в
Максимальные
слое
период
льда
концентрации
(20–40
прохождения
см),
Cd
который
загрязненных
и
Pb
были
формировался
водных
масс.
Аккумуляция тяжелых металлов во льдах выступает фактором вторичного
загрязнения р. Амур в весенний период при таянии льда.
3. Наиболее выраженное загрязнение донных отложений Zn, Pb и As
отмечено у правого берега р. Амур ниже г. Хабаровск, что может быть связано
с формирующимися здесь зонами аккумуляции. В донных отложениях,
отобранных у левого берега, в зоне влияния городов Амурск и Комсомольск-наАмуре, накопление этих элементов выражено слабее.
20
4. Биоаккумуляция токсичных элементов зависит от местообитания
гидробионтов. Рыбы, ведущие придонный образ жизни, в большей степени
накапливают ТЭ по сравнению с представителями пелагических рыб. Такой
металл, как Hg, относящийся к экотоксикантам, активно накапливает амурский
сом; Pb – косатка-плеть; Cd – сазан. Гидробионты одинаковых экологических
ниш по-разному концентрируют токсичные элементы: моллюски в большей
степени аккумулируют Zn, Cd и As, а рыбы, ведущие придонный образ жизни, –
Cu, Hg и Pb.
5. Особенности миграции железа и марганца на биогеохимическом
барьере вода-дно определяются совокупностью факторов: абиотических
(температура, содержание кислорода и ОВ) и биотических (активность
микробиологических процессов). Повышение концентраций этих элементов,
включая зимние «марганцевые аномалии», в р. Амур в период ледостава может
происходить при разгрузке подземных вод и высоком уровне евтрофирования.
СПИСОК РАБОТ,
ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах
1. Клишко
О.К.,
Авдеев
Д.В.,
Голубева
Е.М.
Особенности
биоаккумуляции тяжелых металлов у моллюсков в аспекте оценки состояния
окружающей среды // ДАН. 2007. Т. 413, № 1. С. 132–137.
2. Кулаков В.В., Кондратьева Л.М., Голубева Е. М. Геологические и
биогеохимические условия формирования повышенного содержания железа и
марганца в воде р. Амур // Тихоокеанская геология. 2010. Т. 29, № 6. С. 66–76.
Работы, опубликованные в материалах региональных,
всероссийских и международных конференций
3. Голубева Е.М. Распределение тяжелых металлов и токсичных
элементов в природных водах Хабаровского водного узла // Природные
21
катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: Сб. тезисов II Сахалинской
молодежной научной школы. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН. 2007. С. 81.
4. Авдеев Д.В., Будкина А.Ю., Голубева Е.М., Зазулина В.Е. Влияние
аварии на химическом заводе в г. Цзилинь (КНР) на загрязнение экосистемы
реки Амур тяжелыми металлами и токсичными элементами // Природные
ресурсы и экологические проблемы Дальнего Востока: сборник научных
трудов. Хабаровск: Изд-во ДВГГУ. 2007. С. 205–211.
5. Голубева Е.М. Кондратьева Л.М., Авдеев Д.В. Особенности сезонного
содержания тяжелых металлов в рыбе реки Амур // Современное состояние
водных биоресурсов: Материалы научной конференции, посвященной 70-летию
С.М. Коновалова. Владивосток: ТИНРО-центр. 2008. С. 494–498.
6. Голубева Е.М., Кондратьева Л.М. Поведение ионов марганца в
контактной зоне вода-дно в период ледостава 2005–2006 года // Тектоника и
глубинное строение Востока Азии: VI Косыгинские чтения: Доклады
всероссийской конференции. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН. 2009. С. 365–368.
7. Голубева Е. М. Особенности миграции железа и марганца в донных
отложениях р. Амур // Сборник тезисов международной конференции,
посвященной памяти М.М. Кожова «Проблемы экологии». Иркутск: НИИ
биологии при ИГУ. 2010. С. 401.
8. Голубева Е. М., Кондратьева Л.М., Кулаков В.В. Особенности
взаимодействия речных и подземных вод на Нижнем Амуре // Тектоника,
магматизм и геодинамика Востока Азии. VII Косыгинские чтения: Материалы
Всероссийской конференции. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН. 2011. С. 174–176.
9. Kondratyeva L.М., Kulakov V.V., Stukova О.Yu., Golubeva Е.M.
Ecological aspects of the interaction of river and groundwater in the Lower Amur
//Hydrology and Ecology: Ecosystems, Groundwater and Surface Water Pressure and
Options: Volume of abstracts of 3rd International Multidisciplinary Conference.
Vienna: BOKU. 2011. P. 25–26.
22
Голубева Евгения Михайловна
ЭКОСИСТЕМЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ АМУР
ТОКСИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
—————————————————————–————————————————
Подписано в печать 02.04.2012. Формат 60841/16. Гарнитура «Times New Roman».
Уч.-изд. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Зак. 150. Тираж 125 экз.
—————————————————————–————————————————
Издательство ДВГУПС
680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
23